量子隧穿效應和霍伊爾態是如何讓恆星內核聚變持續進行下去的？
宇宙中最基本的物質單元，構成了成員隊伍最龐大的一種單個天體——恆星。對於其中的動力機制之奧祕所在，也是讓人類疑惑了很久。今天我們就說下，量子隧穿效應和霍伊爾態是如何讓恆星內核聚變持續進行下去的？
走進原子核
先看一看我們日常熟悉的各種能源吧！氫氣、石油、煤炭，以及碳氫化合物，它們的能量都儲藏在它們分子內部、原子之間的化學鍵裏。在氧氣和一定溫度的輔助下，這些物質內的原子很樂意重新組織它們之間的關係，轉變爲更加穩定的分子結構。在這個重組過程中，它們會釋放出能量。但是，在這種釋能方式中，平均每個原子貢獻出的能量只有幾個電子伏。其實，所有種類的化學反應都是如此，常見燃料的例子只是其中之一。
讓我們深入原子的內部，透過在原子外層不斷運行着的電子，我們能遇到原子核——除氫核外，它都是質子和中子的聯合體。雖然將一個電子綁定於一個原子核的過程只能釋放幾個電子伏的能量，但將一個質子或一箇中子綁定進一個原有的原子核（甚至是綁定進只有一個單獨的質子的氫核）的過程可以釋放出的能量多達幾百萬電子伏！這種將質子和中子整合成一個原子核的力量叫作“強核力”，它可以讓這些微小粒子之間的結合過程輸出巨大的能量。
不難想象，如果恆星以這種方式作爲能量來源，那麼它的釋能效率將比使用常見的基於化學反應的燃料高出幾百萬倍，所以，太陽的壽命也可以比開爾文基於常用燃料給出的估計值長几百萬倍。量子隧穿效應打破氘瓶頸
穩恆態宇宙學家霍伊爾在1957年會同兩位科學家（Geoffrey Burbidge和 Margaret Burbidge）以及福勒(Willie Fowler）（這四人合起來簡稱B²FH）率先發表了一篇激動人心的論文，詳細論述了核聚變反應是如何在恆星的內核裏發生的。
在一顆質量足夠大（指大於太陽質量的8%）的恆星的內部，如果密度和溫度超過一個特定的閾值，氫原子核內的質子就會融合在一起，首先變成氘，然後很快變成氦-3，進而是氦-4。每個氦-4核的誕生，都將帶來2800萬電子伏的能量，這個數字相當可觀。這種出現在恆星核心部分的核聚變釋能反應不僅可以解釋太陽的發光能力，還可以解釋所有主序恆星的能量來源。
在一顆像太陽這樣的恆星的核心裏，溫度高達大約1500萬度，而且由於重力的擠壓作用極強，星核中的等離子體的密度會高到地球上固體鉛的13倍。以太陽的質量來算，它總共含有驚人的10^57顆質子，在任意時刻，其中都有接近 10% 的質子位於太陽的核心部分。在巨大的壓強和極高的溫度下，位於日核的質子都具有很高的動能，其移動速率已高到適合以光速的百分數來表示。因此，這些質子之間（以及與其他原子核）發生撞擊的頻率也極高，每顆質子每秒鐘要與其他粒子發生相互作用達數十億次。
通過這些狂暴的碰撞和劇烈的作用，可以嘗試計算有多少質子獲得了足夠的能量以啓動核反應鏈條的第一個環節，即形成氘核。不過，計算的結果是：絕對爲零。質子們在太陽核心中猛碰歸猛碰，但沒有誰能升級爲更重的原子核，這意味着那裏的溫度和密度尚不足以講通整個核聚變。那麼核反應到底要怎麼才能發生呢？這離不開量子力學現象的輔助。
恆星核心部分的質子攜帶的能量不足以勝過因其自身電荷而產生的斥力，但由於有“量子隧穿”(quantum tunneling）效應的存在，這些質子仍有一定概率形成更加穩定的結合狀態，從而釋放出核能。儘管兩個質子之間發生量子隧穿現象的概率很小，在這種情況下約爲10^28分之1。
但考慮到太陽內部粒子相互作用之頻繁和持續，每秒仍有天文數字的4×10^38個質子變成氦核。這個需要用量子力學來解釋的核能釋放過程，正是宇宙中所有主序星的能量之源。
那些質量非常小的恆星，其允許發生核聚變反應的核心區域的體積也較小，因此核融合的步調也比較慢，導致恆星溫度相對較低、顏色偏紅、發光能力也比較弱。而如果恆星的質量較大，那麼其核心的體積也會比較大，其溫度和密度都更高，核聚變事件在其間發生得也就更爲頻繁。恆星質量越大，被反應掉的氫核也就越多，星體也就越熱、越藍、越亮。所以我們看到的自身發光能力很強的恆星都是藍色星。
但還有一個規律或許與我們的直覺不符：越是大質量的明亮藍星，其壽命也就越短。其道理在於，如果一顆恆星的質量是另一顆的2倍，那麼它擁有的氫就也是後者的2倍，但它的內核中消耗氫的速度大約是後者的8倍。也就是說，如果某恆星的質量10倍於參考星，那麼它耗盡自己的氫元素所需的時間就是後者的1000分之1。在很大的時間尺度（數百億年）上說，反應生成的氦會通過對流逐漸移向恆星表面，而那些還未參與反應的氫也會在對流中逐漸靠近恆星核心，所以足夠長壽的恆星是可以完全耗盡自己的氫的。
但如果恆星的質量不是很小（包括太陽這樣的恆星），那麼只要它核心區域的氫被用完，它就會結束自己的主序星生涯。而這一思想靈感，也讓霍伊爾一方做出了一個宏大的預言。霍伊爾態——三α過程，爲創造重元素提供可能
正在消耗着氫的恆星之所以不會在自身重力的作用下坍縮，其原因僅在於恆星核心區域的核聚變反應會產生巨大的、向外的壓力。然而這個過程只能創造出氦，若以“創造出地球上天然存在的所有元素種類”爲標準來看，理論還不完整。霍伊爾認爲，恆星內部還有着創造更重的諸種元素的過程。
以消耗氫的恆星核心所表現的溫度和密度來看，沒有理由認爲它能創造出比氦-4更重的原子核：氦-4之所以不能再接納一個質子，是因爲含有5個重子的原子核並不穩定，而兩個氦-4 核之間也不能結合，因爲含8個重子的原子核同樣不穩定，所有這種質量相對數爲8的原子核，縱然能形成，也都會瞬間衰變回兩個氦-4 核。而當星核內的氫消耗殆盡之後，向外的輻射壓會立刻降低，星核就會在重力之下突然開始向其中心坍縮。
在像恆星核心這樣的以高密度聚集着海量粒子的地方，單是粒子之間的引力場中就儲存着許多能量。在恆星坍縮過程中，除非坍縮速度極慢，而且同時又有釋放能量的有效通道，不然粒子內部的溫度和能量都只能不斷升高，最後到達一個驚人的水平——這與柴油機的工作原理有些相似：當柴油被快速壓縮時，猛增的溫度將使其燃燒。氦-4的承壓到達特定閥值之後，也會突然產生反應，但不是起火，而是聚合爲鈹-8！當然鈹-8這種同位素也不穩定，它會在僅約10”秒之後衰變回兩個氦-4。可是，霍伊爾非常看重鈹-8 的出現揭示出的意義，他認爲鈹-8的維持時間很短僅僅屬於次要問題。
我們已知，核聚變能夠通過量子隧穿效應，高效地釋放出巨大的能量，這離不開一點：其反應生成物的總質量小於反應參與物的總質量，而且這個差值是可以測出來的。氫可以聚變爲氦-4，氦-4的質量（通過著名的E=mc^2）可以等效爲2800萬電子伏的能量，而四個氫核的總等效能量必然大於這個數。反觀鈹-8，它的質量幾乎與兩個氦-4核的總質量相等，總等效能量差還不足10萬電子伏，所以新生成的鈹-8核並不具有很旺盛的生命力，從而會幾乎立刻變回兩個氨-4。
不過霍伊爾仍然不願放棄這一點，因爲如果能讓三個氦-4核足夠快速地結合在一起，我們在理論上得到就不是鈹-8，而是碳-12了，這可是一種相當穩定的原子核。爲了跨越這個理論障礙，霍伊爾賭上了他的全部學術聲譽，做出了他最具震撼力的科學預言。
就像原子有其激發態和基態那樣，原子核也有自己的激發態和基態。原子的激發態是不穩定的，其電子暫時處於較高的能級，最後會落回到較低的能量狀態上，並放出一個光子；原子核處於激發態時的能量譜也是較高和不穩定的，而基態的能量譜是最低的且穩定的。而“激發態的原子”與“激發態的原子核”之間的最大不同，在於後者在能量上與前者有明顯的差異，通過質能方程將這個能量差異轉換爲質量差異之後，它是可以被測量出來的。
將三個氦-4 核結合起來，並不會得到一個碳-12核，因爲二者之間的質量差異實在太明顯了，後者顯著偏小。不過，霍伊爾提出，如果碳-12核有一種激發態，其能量跟三個氦-4 核的總能量接近的話，那麼恆星即便是在耗盡其核心的氫元素之後，也可以繼續其核聚變反應。他推斷道，鑑於碳-12原子是構建地球上和恆星世界裏許多更重的元素的基石，它的這種激發態一定是存在的，而且其質量一定等同於氦-4的三倍！
這一假定存在的狀態被稱作“霍伊爾態”，它在理論上的形成過程則被稱作“三阿爾法過程”（triple-alpha
process），因爲氦-4 核也叫“阿爾法粒子”，是某些放射性衰變的產物之一。1952年，霍伊爾將這一猜測告訴了合作者福勒，後者聽了認爲這一狀態確實應該存在，只是一直被核物理學家們忽略了。經過五年的研究，霍伊爾態的碳-12於1957年被發現，其能量水平也被證實完全可能在大質量恆星的核心裏通過消耗氫而產生！這一突破性進展，爲人們照亮了宇宙中各種重元素的生成之路。
